Что такое управление питанием
Полупроводниковая промышленность продолжает сокращать размеры элементов, используемых для изготовления интегральных схем. В результате этого каждое новое поколение микросхем имеет более низкое напряжение ядра. Это дает большие преимущества с точки зрения рассеивания мощности, но создает проблемы в отношении управления этой мощностью. Цифровые устройства, работающие от источников питания менее 1 В, более восприимчивы к шумам, скачкам и падениям напряжения на шине питания, поэтому управление питанием становится важной частью проектирования системы.
Электропитание всегда было важной функцией системы, но теперь управление питанием стало неотъемлемой частью общей функциональности. В данном материале рассказывается, почему управление питанием сейчас так важно, какие типы устройств управления питанием разрабатываются, и рассматривается, как управление питанием можно использовать для разработки более надежных решений.
Зачем нужно управление питанием
Управление питанием охватывает широкий спектр функций, от преобразования до стабилизации, защиты от перенапряжения и восстановления после обесточивания. Постоянный источник питания необходим, особенно для цифровых схем с очень низким энергопотреблением и высокочувствительных аналоговых функций. В современных устройствах, конечных точках или узлах Интернета вещей (IoT) чрезвычайно распространено комбинирование цепей цифровой обработки с низким энергопотреблением в сочетании с аналоговыми интерфейсами для датчиков, у обоих схемотехнических структур есть определенные и, возможно, разные требования к источнику питания, но при этом необходимо использовать только один общий источник питания.
Такие методы, как понижающее/повышающее преобразование, линейное регулирование и распределение мощности в точке нагрузки, теперь составляют значительную часть в вопросах проектирования схем питания всей системы. Каждая интегральная схема в конструкции потенциально может иметь разные требования к источнику питания. Объединение всех или, по крайней мере, значительной части управления питанием в одном устройстве может сэкономить место на плате и энергопотребление системы, а также упростить спецификацию изделия.
Возможность интегрировать все или многие функции управления питанием в одно устройство с низким энергопотреблением может быть особенно полезным в приложениях, которые питаются от батарей или даже собирают энергию. Эта концепция становится все более жизнеспособной, поскольку энергопотребление микросхем продолжает падать. При питании от собранной энергии важен каждый последний джоуль. В этих приложениях можно использовать микросхемы управления питанием (в зарубежной литературе обозначаются как PMIC) со сверхнизким энергопотреблением, чтобы максимально использовать возобновляемые источники энергии.
PMIC или микросхемы управления питанием часто используются, когда схема должна включать в себя несколько шин питания с разными уровнями напряжения, но все они получают питание от одного источника. PMIC будет включать схемы переключения с регулированием и стабилизацией, а также цепи защиты от короткого замыкания, обнаружения перенапряжения и перегрузки по току.
Последовательность включения/отключения шин питания – еще одна важная и ценная функция, которую могут предложить PMIC. В современных схемах иногда необходимо контролировать способ подачи питания путем упорядочивания шин. По сути, это означает включение шин питания заранее определенным образом, так что цепи, питаемые от одного источника питания, работают полностью до того, как цепи, питаемые от другой шины, начнут работать. Это может быть необходимо для защиты интерфейсов или предотвращения ошибочного повышения/понижения выходных сигналов.
Нужно ли управление питанием устройствам с батарейным питанием и беспроводным устройствам
Даже устройства, которые работают исключительно от аккумуляторных батарей, нуждаются в регуляторах напряжения. Они необходимы для стабилизации напряжения как в новой, так и в почти полностью разряженной батарее. Использование PMIC для регулирования напряжения батареи может принести пользу. Часто PMIC потребляет более низкий ток покоя, чем линейный стабилизатор, но он также может предполагать повышающие преобразователи, чтобы максимально эффективно использовать элементы батареи.
В общем, управление питанием может быть выгодно для любой схемы. Беспроводные сенсорные сети обычно включают в себя несколько небольших устройств, часто с батарейным питанием, которые обмениваются данными короткими пакетами, обычно управляемыми событиями. Этот тип операций может принимать форму коротких всплесков активности, за которыми следуют относительно длительные периоды бездействия. Этот энергетический профиль может вызвать нагрузку на батарею, но это как раз тот тип приложения, для которого предназначены PMIC.
Беспроводные сенсорные сети, использующие протоколы с низким энергопотреблением, такие как Zigbee или Bluetooth LE, становятся все более распространенными. Различные системные функции теперь могут выполняться с использованием чрезвычайно небольшого количества энергии, в то время как профиль приложения часто поддерживает длительные периоды небольшой активности или ее отсутствия. Более того, беспроводные сенсорные сети действительно полезны в удаленных районах, где доступ к источникам питания ограничен, а стоимость визитов для обслуживания для замены батареи непомерно высока. Это означает, что системы сбора и накопления энергии хорошо подходит для удаленных сенсорных сетей со сверхмалым энергопотреблением.
Как выбрать микросхему управления питанием
Выбор PMIC зависит от приложения. Для приложений с батарейным питанием или накоплением энергии основным требованием будет низкий ток покоя, в то время как в других приложениях может быть более важным обеспечить гибкость в доступных уровнях выходного напряжения.
Приложения, которые обмениваются данными с использованием беспроводной технологии, такой как Bluetooth, также должны иметь возможность поддерживать напряжение на шине питания в течение периодов передачи и приема. Это делает управление питанием обязательным.
Технологии, влияющие на управление питанием
Требования к напряжению питания для цифровых микросхем продолжают расходиться – уровень напряжения снижается, в то время как потребность в мощности увеличивается. Работа от 1 В или ниже увеличивает требования к шине питания. Требуется регулируемый и стабильный источник питания, способный реагировать на всплески активности. Беспроводная и радиочастотная связь необходима для беспроводных сенсорных сетей или других беспроводных конечных точек Интернета вещей. Эти типы устройств часто питаются от батарей, а теперь даже питаются от собранной энергии.
Управление питанием в этих типах приложений приобретает новый профиль. Он должен обеспечивать надежную работу понижающего/повышающего преобразования с регулированием и, возможно, даже последовательностью подачи питания, в устройстве, которое должно занимать как можно меньше места и потреблять как можно меньше энергии.
В будущем уровень интеграции повысится, и в какой-то момент это может даже привести к появлению систем на кристалле (SoC), сочетающих интерфейс радиосвязи с функциональностью PMIC. Сегодня доступные решения удовлетворяют многие потребности инженерного сообщества, но эти потребности, вероятно, будут быстро развиваться по мере того, как все больше устройств будут использовать беспроводную связь и более разнообразные решения в плане источников питания.
© digitrode.ru